Data throughput between chips in a module, or modules, has significantly increased. Electrical inter-connect is usually used to transmit data between chips or modules by using cables or PCB board. However, it may cause many problems such as dielectric loss and cross talk as a required data rate increases. To solve this problem, many researchers conduct studies on the electrical interconnect such as SERDES to cover high data rate, but there is a limit by a material characteristic. Optical interconnect is most popular alternative for the electrical interconnect because it has a wide bandwidth, and an optic fiber has a low signal loss character-istic. However, it is too expensive to be used in many chips. Inductive and capacitive coupling is the other alternative that operates at low power consumption and high data rate. However, it can only be applied to the vertical structure such as 3-D devices, a fine alignment mismatch of each coupler significantly degrades the overall performance. The wireless interconnect by using millimeter wave is on the rise for the alternative because it satisfies both a high speed operation and a low power operation that is an important characteristic required for chip-to-chip communication.
In this thesis, the millimeter wave low power OOK demodulator is designed. The target performance for chip-to-chip application is 16 Gbps over 5 cm.
OOK modulation scheme is chosen because its system architecture is simple, so a low power con-sumption and a small chip size is possible. Proposed OOK demodulator operates at 77 GHz frequency and consists of a square-law detector and a baseband amplifier. The proposed detector is a gain-boosting detector with an active load. PMOS transistor is used for a load and increases both a voltage responsivity of the detec-tor and a gain of the baseband amplifier. The baseband amplifier has a wide bandwidth characteristic but is configured by multi stages of the differential amplifier. The wideband characteristic is realized without a use of the inductor but with the use of a negative impedance converter. The negative impedance converter is modified to have both negative capacitance for widening a bandwidth and negative resistance for enhancing a gain.
The voltage responsivity of the proposed detector is 8413 mV/mW that is 1.4 times higher than that of the conventional gain boosting detector [11]. The baseband amplifier shows 17.5 dB gain and 11 GHz bandwidth.
The detector consumes 0.8 mA, and the baseband amplifier consumes 21.7 mA. Therefore, the energy effi-ciency is 1.4 pJ/bit that is a lowest energy efficiency among the state of the arts.
최근 들어 칩 간에서 이뤄지고 있는 데이터 처리량이 급격하게 증가하고 있으며 이러한 칩 간의 데이터 처리 및 전송은 PCB 기판이나 전선과 같은 전기적 연결 방식으로 이뤄지고 있다. 하지만 Gbps 이상의 데이터 전송 속도가 요구되면서 기존의 전기적 연결 방식에 크로스톡 및 유전 손실등과 같이 전송 오류를 유발시키는 문제점들이 발생하고 있다. 이러한 것들을 해결하기 위해서 많은 연구가 이뤄지고 있으며 광 연결이 문제에 대한 첫 번째 대안으로 제시되고 있다. 전기적 연결보다 광대역을 가지며 고주파에서의 손실 또한 적지만 대량의 칩에 적용하기엔 고비용이 요구된다. 인덕티브 또는 캐패시티브 커플링 또한 다른 대안으로 제시되고 있으며 저전력으로 고속의 데이터 전송이 가능하다. 하지만 이 연결 방식은 3D 장치와 같은 수직 구조에 적합하며 커플링 소자 간의 미세한 정렬 오차가 데이터 전송 저하에 굉장히 큰 영향을 미친다. 고속 데이터 전송이 가능하며 저전력에서 동작할 수 있는 밀리미터파를 이용한 무선 연결 방식이 칩 간 통신에 새로운 대안으로 떠오르고 있다.
본 논문에서는 밀리미터파를 이용한 저전력 및 고속의 OOK 복조기를 설계한다. 칩 간 통신에서 적용됨을 고려하여 16Gbps의 속도와 5츠의 전송거리를 목표로 설계한다.
시스템 구조를 간편화 할 수 있으며 저전력으로 구동이 가능한 OOK 변조방식을 사용한다. 제안된 OOK 복조기는 80 GHz을 중심 주파수로 하여 동작하며 제곱 검출기와 기저대역 증폭기로 구성된다. 제안된 검출기는 능동부하를 응용한 이득 증폭 검출기이며 PMOS 트랜지스터가 부하로 사용되어 검출기의 전압응답 및 기저대역 증폭기의 이득을 동시에 증가시킨다. 기저대역 증폭기는 다단의 차동 증폭기로 구성되어 광대역 특성을 가진다. 광대역 특성은 칩 크기의 최소화를 위해 인덕터를 사용하지 않은 네거티브 임피던스 변환기를 사용하여 구성한다. 네거티브 임피던스 변환기는 네거티브 캐패시턴스와 네거티브 레지스턴스의 특성을 모두 가지게 설계되어 광대역뿐만 아니라 이득 증가의 효과 또한 얻는다.
제안된 검출기의 전압응답은 8413mV/mV이며 the state of the art인 제곱 검출기의 1.4 배에 해당하는 값이다. 코어 칩 사이즈는 0.3x0.16mm2으로 설계되었다. 기저대역 증폭기는 17.5 dB의 이득과 11 GHz의 대역폭을 가진다. 검출기는 0.8 mA를 소모하며 증폭기는 21.7mA를 소모한다. 그러므로 총 전력소모는 22.5mW이며 에너지 효율은 1.4pJ/bit으로 the state of the arts와 비교했을 때 가장 좋은 성능을 보였다.
